岩溶地区盾构下穿既有建筑物安全施工方法

张海洋

（中铁十六局集团有限公司，北京 100018）

0 引言

随着城市建设的不断加速，大众出行方式的多样化，近几年城市轨道交通建设得到了大力发展。然而在某些大城市地区，轨道建设常常遇到岩溶问题，尤其是盾构下穿岩溶地区既有的众多建筑物，给盾构施工带来巨大挑战。盾构隧道施工不可避免地会对附近岩土体产生扰动，溶土洞、溶蚀裂隙等的存在，更容易引起周围岩土体地基出现承载力不足、地表塌陷，甚至危害建筑物安全的不良地质现象[1,2]。因此，盾构下穿岩溶地区既有建筑物时需要严格控制地表及地基建筑物的沉降和变形，避免因盾构机对土体扰动过大而影响建筑物安全是盾构施工中的重难点。

目前，针对建筑物不均匀沉降问题，我国常用注浆法对岩溶地基进行加固[3-5]。通过注浆方式既可封存地下水又可阻止岩溶继续发育，加固破碎岩体，是近年来在岩溶区不断修建铁路、公路、隧道以及房建等主要采用的岩溶地基处理方法[6]。

深圳地铁16号线之回龙埔站至数码城站处于岩溶区域，工程建设中盾构区间需下穿新大新家居广场和家乐园装饰材料大超市，涉及下穿条形基础房屋，本文就该段工程的安全施工方法进行研究，为相关技术人员提供经验参考。

1 工程概况

深圳市轨道交通16号线回龙埔站-数码城站区间采用盾构法施工，其中以R=360m的半径下穿新大新家居广场、家乐园装饰材料大超市等建构筑物。区间穿越的建构筑物地层主要有：31-4-12微风化灰岩、30-1-3全风化砂岩、30-2-3强风化砂岩、8-3-3粉质黏土、8-4-4含粉质黏土碎石、9（9-1、9-2）溶洞。区间最小覆土7.9m，最大覆土14.0m。各地层的物理力学性能见表1。

表1 盾构下穿地层的物理力学性能

回龙埔站-数码城站区间岩溶发育强烈，钻孔见洞率59.51%，总线岩溶率为15.18%。该区间下穿新大新家居广场及家乐园装饰材料大超市位置无溶洞。

2 盾构下穿期间的监测方案及指标控制

2.1 建筑物监测方案及监测点布置情况

盾构下穿岩溶地区既有建筑物期间，隧道上方地表以及建筑物不可避免地发生沉降变形现象，对建筑物安全存在极大威胁。因此有必要布置监测点，对隧道地表沉降和建筑物沉降变形进行监测，严格控制地表沉降，保护建筑物安全。

隧道地表沉降观测：分别沿隧道中心两侧30 m左右范围布设观测点，横向点位5 m，隧道顶部正上方适当加密。沿隧道纵向每10 m左右布置一条横测线，共布置18个断面。

周边建构筑物监测：包括沉降监测和倾斜监测。根据周围建筑物的具体情况和位置，布置沉降和水平位移测点。建筑物的测点布置在主要结构处，主要为外墙四角和受力结构柱处，测点布置间距为10~15m，每侧不少于3个监测点。

2.2 盾构下穿期间沉降控制目标

为准确分析盾构在穿越房屋过程中对地表及建筑物的影响情况，将穿越过程分为三个阶段，即：刀盘即将进入建筑物下方到盾尾完全进入建筑物下方的沉降指标控制、盾构整体穿越建筑物时的沉降指标控制、盾尾脱出建筑物后的沉降指标控制。

（1）从刀盘进入建筑物下方开始到管片拖出盾尾，此阶段日沉降量控制目标在0.5～1.0mm/d，累计沉降控制在2.0mm。

（2）从盾构整体穿越建筑物过程中地面累计沉降控制在16mm以内，日沉降控制标准为2mm/d。该阶段主要通过调整盾构掘进过程中的掘进参数，减少对周围土体扰动，降低后期固结带来的风险。此阶段一旦出现沉降量过大的情况，可充分利用双液浆凝固时间短、注浆压力可控的特点，组织实施管片后多点、多次注浆，并实时监测地面沉降满足要求后方可停止补浆，然后进行下一环的掘进施工。

（3）盾构机盾尾脱出建筑物后地面累计沉降量控制标准在20 mm以内，日沉降量控制目标为2mm/d。此阶段主要沉降为盾尾拖出间隙导致的建筑物及地表沉降，以及盾构扰动土体带来的固结沉降为主，主要通过二次注浆减小沉降所带来的影响，如超出沉降控制指标须采取地面跟踪注浆减少沉降量。

3 盾构下穿施工及加固措施

3.1 前期准备

（1）盾构机选型。选用ZTE6410型复合式土压平衡盾构机，通过相关审查满足区间盾构掘进施工要求。

（2）管片注浆孔布置。下穿区段使用Ⅱ型管片（加强型配筋）且为增设注浆孔管片，每环管片共16个注浆孔，其中原有6个注浆兼做吊装孔使用，如图1所示。

图1 管片注浆孔布置

（3）试验段设置。选取地质相似的地层作为试验段收集土仓压力、推进速度、总推力、排土量、刀盘转速和扭矩、注浆压力和注浆量、盾尾油脂注入量等重要参数，对各种参数及功能分阶段进行测试。盾构在刀盘刚进入结构下方时，盾构机整体穿越建筑物时以及盾尾脱出建筑物过程中，为保证穿越过程中土体的稳定性及房屋的安全性，将依据监测数据和房屋结构情况对注浆压力、注浆量进行调整。

3.2 下穿期间主要参数控制

根据以往施工经验，盾构施工控制沉降主要是通过同步注浆、二次注浆及盾构机相关姿态和参数的控制来降低施工过程中所可能遇到的风险，本段穿越主要通过以下几种方式：

（1）土压力控制。盾构穿越8-3-3粉质黏土层，穿越地段埋深13.6 m，则土压力控制范围为1.5 bar左右。

（2）出土量控制。管片宽度为1.5 m，经计算每环理论土方为48.8 m3，粉质黏土层考虑松散系数1.3，则每环出土量将控制在63.5 m3每环。

（3）同步注浆控制。一套同步注浆设备，包括2个双活塞注浆泵（共有4个独立压力出口），储浆罐最大容量为8 m3，每个双活塞泵的最大输出10 m3/h。每环（1.5m）注浆量Q=4.64～6.43 m3，确保注入率不低于130%，终止注浆压力在0.35 MPa左右。注浆采用压力与注浆方量双控，确保壁后空隙填充饱满，减少地面沉降。同步注浆浆液初凝时间控制在6h左右，其配合比及性能指标如表2所示。

表2 每立方浆液材料用量

（4）刀盘转速和推力控制。针对回龙埔-数码城站区间地质特点，总推力控制在800～1200t左右，减少对周边土层的扰动。刀盘转速1.2～1.5 r/min，以减小对周围地层的扰动。

（5）掘进速度控制。为保证同步注浆的效果，掘进速度严格控制在40 mm/min左右。

（6）同时还将采取二次注浆控制、纠偏控制及盾尾防漏等措施。

3.3 地面注浆加固

盾构掘进过程中，土体受到盾构机扰动，其抗剪强度和粘聚力降低，地表变形、沉降，使建筑物受到影响，甚至破坏。因此，在盾构下穿既有建筑物期间，沿线建筑物监测数据达到报警值时，须采取预注浆和跟踪注浆的措施，减少建筑物的变形。

为了控制地面沉降以及建筑物变形，在盾构下穿期间采用钢花管注浆加固，其施工工艺如图2所示。盾构下穿建筑物时，在建筑物四周布置注浆孔；盾构侧穿建筑物时，在盾构正上方布置注浆孔，隧道以外范围根据监测数据结果布置注浆孔。注浆孔斜插或直插深入建筑物条形基础下，注浆孔间距1m，单排布置。成孔直径50mm，注浆采用单液浆，注浆压力为0.5～0.8MPa。

图2 钢花管注浆施工工艺流程图

4 监测沉降分析

回龙埔-数码城站区间盾构于2020年10月22日至10月31日右线完成新大新、家乐园建筑物穿越工作，11月4日至11月8日区间左线完成新大新、家乐园建筑物穿越工作。盾构始发前，针对区间溶洞需进行处理并按照相关要求进行抽芯和压水试验，相关试验结果表明溶洞处理达到设计要求。

4.1 沉降分析

盾构穿越岩溶地区既有建筑物时，建筑物累计最大变化量位于JC2-8测点，最大沉降量为14.20 mm；地表沉降累计最大变化量位于右线处的YD5100-5测点，地表最大沉降量为23.19 mm。盾构下穿既有建筑物时，地表以及建筑物部分测点出现微隆起，而大部分测点的沉降具有阶段性，符合盾构掘进沉降规律。从下穿到施工完成，地表以及建筑物的沉降变形仍在允许范围内，可见盾构掘进参数选择恰当，地面注浆加固控制效果明显，极大地保护了建筑物的安全。

左线穿越过程中，由于左、右线穿越间隔时间较短，左线穿越过程中所产生的沉降明显大于右线穿越过程中所产生的沉降。主要是由于右线盾构先行穿越所扰动的土体，降低了土体的抗剪强度，从而导致房屋及地表发生沉降。而左线，扰动后的土体尚未固结完成，再次遭受扰动，加大了土体抗剪强度的衰减，所以建筑物及地表沉降明显大于右线穿越所产生的沉降。

根据分析可知，盾构下穿施工时对新大新家居广场以及家乐园装饰材料大超市影响不大，监测结果值小于设计及业主单位要求值。

4.2 施工分析

在从区间刀盘即将进入建筑物下方到盾尾完全进入建筑物下方这段时间里，刀盘推力控制在10000kN，刀盘扭矩控制2100～2500kN·m，建筑物整体沉降符合施工要求。在盾构机穿越建筑物的过程中，降低刀盘推力和扭矩，减少对周围土体的扰动，使得建筑物及地表监测数据符合相关要求，建筑物整体能够安全使用。在盾尾脱出后，盾构机按常规地层掘进参数进行掘进，需加大二次注浆量减少土体固结沉降所带来的建筑物沉降。在区间左线再次穿越建筑物过程中，将盾构机总推力降低、刀盘扭矩降低，加大土压仓压力、增加盾尾油脂使用量，确保盾构自身掘进安全，同时确保建筑物结构安全。

从施工监测和过程控制来看，盾构机下穿条形基础建筑物，关系到盾构施工安全及建筑物结构的安全，可通过调整盾构机总推力、刀盘扭矩、土压仓压力、盾尾油脂使用量来确保。

5 结束语

该工程实践得出以下结论：（1）盾构机始发前需对地下溶洞进行处理，可有效降低因溶洞未处理或处理不当而带来的风险。（2）盾构掘进参数控制是盾构下穿岩溶地区既有建筑物安全施工的关键，正式下穿前应根据下穿的地层特点通过试验段测试确定，掌握盾构掘进参数与地表沉降的变化规律，为指导穿越建构筑物盾构机掘进的各项参数设定提供依据，满足沉降量的控制要求。（3）盾构穿越过程中二次穿越所带来的沉降将增大，应及时采取相应的施工措施防止固结沉降的持续增加。（4）盾构机下穿条形基础建筑时，可通过调整盾构机总推力、刀盘扭矩、土压仓压力、盾尾油脂厚度等措施保证盾构自身安全及建筑物结构安全。（5）施工过程中，应加强信息化施工监测，运用科学的监测手段，做到实时全面同步监测。

深圳地铁16号线回龙埔站-数码城站区间左右线盾构机顺利下穿新大新家居广场、家乐园装饰材料大超市以及深圳标恒福特4S店等建筑物。下穿后既有建筑物沉降变形均在可控范围内，地面无开裂、隆起等问题，达到了盾构施工安全、不影响既有建筑物的施工要求。该项目取得的施工经验为类似工程施工提供了重要参考价值。